自适应调制与编码技术下的预编码算法研究

任志勇 周鑫 徐东

【摘要】 为了克服多输入多输出系统空间各子信道相互干扰，论文对链路自适应调制与编码技术下的预编码算法进行了研究。论文采用基于信道矩阵奇异值分解的方法得到最优的预编码矩阵，接收端基于最小均方误差接收机均衡算法，并以此自适应选择不同的调制方式和编码。通过仿真验证，在预编码算法基础上，采用自适应的调制和编码方式能根据信噪比大小变化，灵活改变数据传输速率，在满足信号质量要求的情况下达到了非常高的传输效率。

【关键词】 预编码 多输入多输出 正交幅度调制 误比特率

一、引言

在移动通信系统中，可以通过高阶信号调制技术和多输入多输出（MIMO）技术来提高系统的频谱效率，但是，在一个噪声信道环境下，传输数据速率的提高会带来误码率的提升。为了提高频谱效率，长期演进（LTE）移动通信系统中采用了链路自适应技术，根据信道条件的变化，系统动态地采用不同的调制和编码、MIMO传输模式[1]、预编码和发射功率等技术，以期在保证信号质量的情况下取得最大的传输效率。

LTE移动通信系统采用了正交频分多址（OFDMA）、多输入多输出（MIMO）[2]等关键技术，以此来克服多径信道的频率选择性衰落和提高系统的传输速度。本文对LTE移动通信系统中预编码算法进行了研究，并根据信道条件的变化，对链路自适应调制与编码技术下的预编码算法进行了性能仿真，分析了不同调制与编码下系统的传输速率与误码率的曲线变化。

二、基于信道矩阵奇异值分解的预编码算法

多输入多输出（MIMO）技术将连续的信号比特流拆分成多个信号子流，再将各信号子流通过不同的天线发射出去，传输各信号子流的多个发射天线与接收天线构成了空间信道矩阵。在空间信道矩阵构成的各子信道不相互独立的情况下，各子信道将相互干扰，从而影响信号接收质量。在LTE系统中，预编码技术被看作是解决空间各子信道相互干扰最有效的方法[3]。最优的预编码矩阵是基于信道矩阵奇异值分解的矩阵。

首先假设在一个子帧持续时间内，信道矩阵H不变，假设系统有NT根发射天线，MR根接收天线，发射符号分为L层，每个层有T个符号，第i层由符号[xi，1，xi，2，...，xi，T]组成。对信道矩阵H进行奇异值分解：

式中，n为高斯白噪声。在实际的应用中，由于反馈资源的限制，系统首先须在预先给定好的码本里选择一个码本作为预编码矩阵，也就是利用某种准则得到码本索引。

三、预编码矩阵下的MIMO接收机算法

LTE系统中的预编码矩阵指示（PMI）反馈都是基于协议配置码本，主要有两种准则：一种是基于系统容量最大化，另一种是基于最小误码率（BER）[4]。本论文采用基于最小误码率的MMSE准则，减小发射信号和接收信号之间的误差信号功率值，并以此自适应选择不同的调制方式和编码，以便保证系统取得最大的传输容量。假设均衡后的信号为X？，最初的发射信号为X，假定最优均衡器变换系数为G，MIMO信道矩阵为H，那么误差信号可以表示为：

四、自适应调制与编码技术下的预编码算法仿真实验

为了对算法性能作对比，在预编码算法基础上，自适应调制方式分别在QPSK、16QAM、64QAM三种方式进行选择，接收端用MMSE准则的均衡器，将发射信号功率值与均衡后的误差信号功率值的比值作为自适应调节参数，选择相应的调制方式与编码率，当误差信号功率值较大时，此时误码率较大，选择低阶调制方式，以保证信号传输质量，当误差信号功率值较小时，选择高阶调制方式，以提高信号的传输速率，以期在满足信号质量要求的情况下达到最高的传输效率。

仿真实验在多输入多输出MIMO的情况下展开，信号经过衰落噪声信道，信噪比SNR取值在0dB到21dB之间，信噪比与误比特率和数据传输速率仿真结果分如图1、2所示。

从图1可以看出，随着SNR的值增大，误比特变小，采用固定调制的阶数越高，误码率越大。在信噪比的值为0dB到12dB之间时，固定64QAM、16QAM高阶调制的误码率都较高，但是，在自适应调制和编码方式下，误码率却随着信噪比变大很快变低，因为链路根据误差信号功率情况自适应地选择了恰当的调制方式和编码率。从图2可以看出，在其他参数不变的情况下，采用固定调制方式和编码率时，数据的传输速率是一个定值，调制阶数越高，数据传输速率越大。但在自适应调制和编码方式下，链路根据信噪比情况，灵活改变了数据传输速率，信噪比的值越小，误比特率就变高，此时数据传输速率减小，信噪比的值越高，误比特率就变小，此时数据传输速率增大，在满足信号质量要求的情况下达到了非常高的传输效率。

五、结论

论文对链路自适应调制与编码技术下的预编码算法进行了研究，在LTE系统中，预编码技术被看作是解决空间各子信道相互干扰最有效的方法。论文采用基于信道矩阵奇异值分解的方法得到最优的预编码矩阵，信号经过噪声信道后，在接收端，采用基于最小误码率的MIMO接收机算法，减小发射信号和接收信号之间的误差信号功率值，以此自适应选择不同的调制方式和编码，以便保证系统取得最大的传输容量。通过仿真验证，在预编码算法基础上，采用自适应的调制和编码方式能根据信噪比大小变化，灵活改变数据传输速率，在满足信号质量要求的情况下达到了非常高的传输效率。

参 考 文 献

[1] V Stankovic， M Haardt， Generalized Design of Multi-User MIMO Precoding Matrices [J].Wireless Communications， IEEE Transactions， 2008， 7（3）：953-961.

[2] W. Peng and F. Adachi， “Single-carrier frequency domain adaptive antenna array for uplink multi-user MIMO transmission in a cellular system，” [J]. Physical Communication， Sep. 2013， vol. 8， pp. 22–30.

[3] Jiang，M.， Prasad，N.，Yue，G.，and Rangarajan，S.Efficient link adaptation for precoded multi-rank transmission and turbo SIC receivers. IEEE ICC，2011.

[4] 刘祖军，王杰令，孙德春，易克初. 多小区多用户TDD MIMO下行链路干扰抑制预编码算法[J].北京：通信学报， 2013年04期.2013.04， 34（4）：187-193.